Какими свойствами обладают цветные металлы

Цветные металлы, их свойства и сплавы

К цветным металлам* и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.

Выражение «цветной металл» объясняется цветом некоторых тяжёлых металлов: так, например, медь имеет красный цвет.

Если металлы соответствующим образом смешать (в расплавленном состоянии), то получаются сплавы. Сплавы обладают лучшими свойствами, чем металлы, из которых они состоят. Сплавы, в свою очередь, подразделяются на сплавы тяжёлых металлов, сплавы лёгких металлов и т.д.

Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы:

— тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово;

— лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций, стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;

— благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений, родий, палладий;

— малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

— тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий, хром, марганец, цирконий;

— редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий;

— рассеянные металлы— индий, германий, таллий, таллий, рений, гафний, селен, теллур;

— радиоактивные металлы — уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий.

Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, эа счёт искусственного и естественного старения и т. д.

Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.

Из цветных металлов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.

· — некоторые химические элементы Национальная Комиссия Украины (НКУ) рекомендует называть так: Серебро — Аргентумом, Золото — Аурумом, Углерод — Карбоном, Медь — Купрумом и т.д. Названия элементов в определённых случаях употребляются как имена собственные — пишутся с большой буквы в середине предложения. В школах дети (на уроках химии) называют азотную кислоту нитратной, серную — сульфурной и т.д. В остальных случаях (география, история и пр.) применяются общеупотребительные названия, т.е. золото называется золотом, медь — медью и т.д.

Цветные металлы и сплавы

Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.

Медь— металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность невысокая: ав = 180… …240 МПа при высокой пластичности б>50%.

Латунь — сплав меди с цинком (10…40 %), хорошо поддается холодной прокатке, штамповке, вытягиванию <7ь = 25О…4ОО МПа, 6=35..15%. При маркировке лату-ней (Л96, Л90, …, Л62) цифры указывают на содержание меди в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т. е. с другими элементами (Мп, Sn, Pb, Al).

Бронза — сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры). При маркировке бронзы Бр.ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают: Бр — бронза, О — олово, Ц — цинк, С —свинец, цифры 3, 12, 5-—содержание в процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от состава: бв=15О…21О МПа, б=4…8%, НВ60 (в среднем).

Алюминий — легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при растяжении — аа = 80… …100 МПа, твердостью — НВ20, малой плотностью — 2700 кг/м3, стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве применяют редко (краски, газооб-разователи, фольга). Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки (Мп, Си, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п.

Силумины — сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими литейными качествами, малой усадкой, прочностью ои = 200 МПа, твердостью НВ50…70 при достаточно высокой пластичности 6== =5…10 %. Механические свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичность силуминов.

Дюралюмины — сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8%). марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500…520°С с последующим старением). Старение осуществляют на воздухе в течение 4…5 сут при нагреве на 170°С в течение 4…5 ч.

Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400…480 МПа и может быть повышен до 550…600 МПа в результате наклепа при обработке давлением.

В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100…300 кг/м3

Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов АЬОз.

Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах); повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость.

Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3) по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышенной теплостойкости. На основе титана создаются легкие и прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах.

Технологии подготовки поверхности металла

Надёжная антикоррозионная защита металла возможна только при высоком уровне подготовки поверхности.

Перед нанесением антикоррозионного лакокрасочного материала необходимо, прежде всего, выбрать технологию и метод подготовки поверхности металла перед окраской.

Существуют механические и химические методы подготовки поверхности. Механические методы имеют ряд ограничений в применении и не способны обеспечить хорошие защитные свойства лакокрасочных покрытий, особенно при их эксплуатации в жёстких условиях. В настоящее время широкое распространение получили химические методы подготовки поверхности. Данные методы позволяют обрабатывать изделия любой формы и сложности, легко поддаются автоматизации и обеспечивают высокое качество поверхности окрашиваемых изделий.

Как выбрать технологический процесс подготовки поверхности?

Какую схему подготовки поверхности следует выбрать для разных металлов, различных лакокрасочных покрытий и условий эксплуатации? Давайте обо всём по порядку.

Выбор технологии подготовки поверхности зависит от трёх основных факторов: условий эксплуатации окрашенных изделий, типа металла и применяемого лакокрасочного покрытия.

С точки зрения подготовки поверхности металлы можно разделить на две категории:

• чёрные металлы — сталь, чугун и др.;

• цветные металлы — алюминий, сплавы цинка, титана, меди, оцинкованная сталь и др.

Для подготовки поверхности чёрных металлов применяют фосфатирование, для обработки цветных металлов — фосфатирование или хроматирование. При одновременной обработке цинка и алюминия с чёрными металлами предпочтение отдают фосфатированию. Пассивирование применяют на заключительной стадии после операций фосфатирования, хроматирования и обезжиривания.

Технологические процессы подготовки поверхности изделий, эксплуатирующихся внутри помещений, могут состоять из 3-5 стадий.

Практически во всех случаях после проведения химической подготовки поверхности изделия сушат от влаги в специальных камерах.

Полный цикл химической подготовки поверхности выглядит так:

• обезжиривание;

• промывка питьевой водой;

• нанесение конверсионного слоя;

• промывка питьевой водой;

• промывка деминерализованной водой;

• пассивация.

Технологический процесс кристаллического фосфатирования предусматривает стадию активации непосредственно перед нанесением конверсионного слоя. При применении хроматирования могут быть введены стадии осветления (при использовании сильнощелочного обезжиривания) или кислотной активации.

    К цветным металлам относятся все металлы, кроме железа и сплавов на его основе – сталей и чугунов, которые называются черными. Сплавы на основе цветных металлов используют в основном как конструкционные материалы со специальными свойствами: коррозионно-стойкие, подшипниковые (обладающие низким коэффициентом трения), тепло- и жаропрочные и др.

    В маркировке цветных металлов и сплавов на их основе нет единой системы. Во всех случаях принята буквенно-цифровая система. Буквы указывают на принадлежность сплавов к определенной группе, а цифры в разных группах материалов имеют разное значение. В одном случае они указывают на степень чистоты металла (для чистых металлов), в другом – на количество легирующих элементов, а в третьем обозначают номер сплава, которому по гос. стандарту должны соответствовать определенный состав или свойства.
    Медь и ее сплавы
  Техническая медь маркируется буквой М, после которой идут цифры, связанные с количеством примесей (показывают степень чистоты материала). Медь марки М3 содержит примесей больше, чем М000. Буквы в конце марки означают: к – катодная, б – безкислородная, р – раскисленная. Высокая электропроводность меди обуславливает ее преимущественное применение в электротехнике как проводникового материала. Медь хорошо деформируется, хорошо сваривается и паяется. Ее недостатком является плохая обрабатываемость резанием.
   К основным сплавам на основе меди относятся латуни и бронзы. В сплавах на основе меди принята буквенно-цифровая система, характеризующая химический состав сплава. Легирующие элементы обозначаются русской буквой, соответствующей начальной букве названия элемента. Причем часто эти буквы не совпадают с обозначением тех же легирующих элементов при маркировке стали. Алюминий – А; Кремний – К; Марганец – Мц; Медь – М; Никель – Н; Титан –Т; Фосфор – Ф; Хром –Х; Бериллий – Б; Железо – Ж; Магний – Мг; Олово – О; Свинец – С; Цинк — Ц.
   Порядок маркировки литейных и деформируемых латуней разный.
   Латунь — сплав меди с цинком (Zn от 5 до 45%). Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), с содержанием 20–36% Zn – желтой. На практике редко используют латуни, в которых концентрация цинка превышает 45%. Обычно латуни делят на:
  — двухкомпонентные латуни или простые, состоящие только из меди, цинка и, в незначительных количествах, примесей;
  -многокомпонентные латуни или специальные – кроме меди и цинка присутствуют дополнительные легирующие элементы.
  Деформируемые латуни маркируются по ГОСТ 15527-70.
  Марка простой латуни состоит из буквы «Л», указывающей тип сплава — латунь, и двузначной цифры, характеризующей среднее содержание меди. Например, марка Л80 — латунь, содержащая 80 % Cu и 20 % Zn. Все двухкомпонентные латуни хорошо обрабатываются давлением. Их поставляют в виде труб и трубок разной формы сечения, листов, полос, ленты, проволоки и прутков различного профиля. Латунные изделия с большим внутренним напряжением (например, нагартованные) подвержены растрескиванию. При длительном хранении на воздухе на них образуются продольные и поперечные трещины. Чтобы избежать этого, перед длительным хранением необходимо снять внутреннее напряжение, проведя низкотемпературный отжиг при 200-300 C.
   В многокомпонентных латунях после буквы Л пишут ряд букв, указывающих, какие легирующие элементы, кроме цинка, входят в эту латунь. Затем через дефисы следуют цифры, первая из которых характеризует среднее содержание меди в процентах, а последующие — каждого из легирующих элементов в той же последовательности, как и в буквенной части марки. Порядок букв и цифр устанавливается по содержанию соответствующего элемента: сначала идет тот элемент, которого больше, а далее по нисходящей. Содержание цинка определяется по разности от 100%.
   Латуни в основном применяются как деформируемый коррозионно-стойкий материал. Из них изготавливают листы, трубы, прутки, полосы и некоторые детали: гайки, винты, втулки и др.
   Литейные латуни маркируются в соответствии с ГОСТ 1711-30. В начале марки тоже пишут букву Л (латунь), после которой пишут букву Ц, что означает цинк, и число, указывающее на его содержание в процентах. В легированных латунях дополнительно пишут буквы, соответствующие введенным легирующим элементам, и следующие за ними числа указывают на содержание этих элементов в процентах. Остаток, недостающий до 100 %, соответствует содержанию меди. Литейные латуни используют для изготовления арматуры и деталей для судостроения, втулок, вкладышей и подшипников.
   Бронзы(сплавы меди с различными элементами, где цинк не является основным). Они подобно латуням подразделяются на литейные и деформируемые. Маркировка всех бронз начинается с букв Бр, что сокращенно означает бронза.
В литейных бронзах после Бр пишут буквы с последующими цифрами, которые символически обозначают элементы, введенные в сплав (в соответствии с таблицей 1), а последующие цифры обозначают содержание этих элементов в процентах. Остальное (до 100 %) – подразумевается медь. Иногда в некоторых марках литейных бронз в конце пишут букву «Л», что означает литейная.
   Большинство бронз обладает хорошими литейными свойствами. Их применяют для различного фасонного литья. Чаще всего их используют как коррозионно-стойкий и антифрикционный материал: арматура, ободы, втулки, зубчатые колеса, седла клапанов, червячные колеса и т.д. Все сплавы на основе меди имеют высокую хладостойкость.
   Алюминий и сплавы на его основе
  Алюминий выпускают в виде чушек, слитков, катанки и т.п. (первичный алюминий) по   ГОСТ 11069-74 и в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и т.п.) по ГОСТ 4784-74. По степени загрязненности тот и другой алюминий подразделяется на алюминий особой чистоты, высокой чистоты и технической чистоты. Первичный алюминий по ГОСТ 11069-74 маркируют буквой А и числом, по которому можно определить содержание примесей в алюминии. Алюминий хорошо деформируется, но плохо обрабатывается резанием. Прокаткой из него можно получить фольгу.

   Сплавы на основе алюминия подразделяются на литейные и деформируемые.
   Литейные сплавы на основе алюминиямаркируются по ГОСТ 1583-93. Марка отражает основной состав сплава. Большинство марок литейных сплавов начинаются с буквы А, что означает алюминиевый сплав. Затем пишут буквы и цифры, отражающие состав сплава. В ряде случаев алюминиевые сплавы маркируют буквами АЛ (что означает литейный сплав алюминия) и цифрой, означающей номер сплава. Буква В, стоящая в начале марки показывает, что сплав высокопрочный.
   Применение алюминия и сплавов на его основе очень разнообразно. Технический алюминий применяют в основном в электротехнике в качестве проводника электрического тока, как заменитель меди. Литейные сплавы на основе алюминия широко применяются в холодильной и пищевой промышленности при изготовлении деталей сложной формы (различными методами литья), от которых требуется повышенная коррозионная стойкость в сочетании с небольшой плотностью, например, поршни некоторых компрессоров, рычаги и другие детали. 
   Деформируемые сплавы на основе алюминия также находят широкое применение в пищевой и холодильной технике для изготовления различных деталей методом обработки давлением, к которым предъявляются также повышенные требования к коррозионной стойкости и плотности: различные емкости, заклепки и т.п. Важным достоинством всех сплавов на основе алюминия является их высокая хладостойкость. 
   Титан и сплавы на его основе
  Титан и сплавы на его основе маркируются в соответствии с ГОСТ 19807-74 по буквенно-цифровой системе. Однако какой-либо закономерности в маркировке не имеется. Единственной особенностью является наличие во всех марках буквы Т, которая свидетельствует о принадлежности к титану. Числа в марке означают условный номер сплава. 
   Технический титан маркируется: ВТ1-00; ВТ1-0. Все остальные марки относятся к сплавам на основе титана (ВТ16, АТ4, ОТ4, ПТ21 и др). Главным достоинством титана и его сплавов является хорошее сочетание свойств: относительно низкой плотности, высокой механической прочности и очень высокой коррозионной стойкости (во многих агрессивных средах). Основной недостаток – высокая стоимость и дефицитность. Эти недостатки сдерживают применение их в пищевой и холодильной технике.

    Сплавы титана применяются в ракетной, авиационной технике, химическом машиностроении, в судостроении и транспортном машиностроении. Они могут использоваться при повышенных температурах до 500-550 градусов. Изделия из сплавов титана изготавливают обработкой давлением, но могут быть изготовлены и литьем. Состав литейных сплавов обычно соответствует составу деформируемых сплавов. В конце марки литейного сплава стоит буква Л.
    Магний и сплавы на его основе
   Технический магний из-за его неудовлетворительных свойств не находит применения в качестве конструкционного материала. Сплавы на основе магния в соответствии с гос. стандартом делятся на литейные и деформируемые. 
   Литейные сплавы магнияв соответствии с ГОСТ 2856-79 маркируют буквами МЛ и числом, которое обозначает условный номер сплава. Иногда после числа пишут строчные буквы: пч – повышенной чистоты; он – общего назначения. Деформируемые сплавы магния маркируют в соответствии с ГОСТ 14957-76 буквами МА и числом, обозначающим условный номер сплава. Иногда после числа могут быть строчные буквы пч, что означает повышенной чистоты.

   Сплавы на основе магния обладают подобно сплавам на основе алюминия хорошим сочетанием свойств: низкой плотностью, повышенной коррозионной стойкостью, относительно высокой прочностью (особенно удельной) при хороших технологических свойствах. Поэтому из сплавов магния изготавливают как простые, так и сложные по форме детали, от которых требуется повышенная коррозионная стойкость: горловины, бензиновые баки, арматура, корпусы насосов, барабаны тормозных колес, фермы, штурвалы и многие другие изделия.
   Олово, свинец и сплавы на их основе 
   Свинец в чистом виде практически не используется в пищевой и холодильной технике. Олово применяется в пищевой промышленности в качестве покрытий пищевой тары (например лужение консервной жести). Маркируется олово в соответствии с ГОСТ 860-75. Имеются марки О1пч; О1; О2; О3; О4. Буква О обозначает олово, а цифры – условный номер. С увеличением номера увеличивается количество примесей. Буквы пч в конце марки означают – повышенной чистоты. В пищевой промышленности для лужения консервной жести применяют олово чаще всего марок О1 и О2.
   Сплавы на основе олова и свинца в зависимости от назначения подразделяются на две большие группы: баббиты и припои.
   Баббиты – сложные сплавы на основе олова и свинца, которые дополнительно содержат сурьму, медь и другие добавки. Они маркируются по ГОСТ 1320-74 буквой Б, что означает баббит, и числом, которое показывает содержание олова в процентах. Иногда кроме буквы Б может быть другая буква, которая указывает на особые добавки. Например, буква Н обозначает добавку никеля (никелевый баббит), буква С – свинцовый баббит и др. Следует иметь в виду, что по марке баббита нельзя установить его полный химический состав. В некоторых случаях даже не указывается содержание олова, например в марке БН, хотя здесь его содержится около 10 %. Имеются и безоловянистые баббиты (например свинцово-кальциевые), которые маркируются по ГОСТ 1209-78 и в данной работе не изучаются.

   Баббиты являются наилучшим антифрикционным материалом и применяются в основном в подшипниках скольжения. 
   Припои в соответствии с ГОСТ 19248-73 подразделяются на группы по многим признакам: по способу расплавления, по температуре расплавления, по основному компоненту и др. По температуре расплавления они подразделяются на 5 групп:

   1. Особолегкоплавкие (температура плавления tпл ≤ 145 °С);

   2. Легкоплавкие (температура плавления tпл > 145 °С ≤ 450 °С );

   3. Среднеплавкие (температура плавления tпл > 450 °С ≤ 1100 °С );

   4. Высокоплавкие (температура плавления tпл > 1100 °С ≤ 1850 °С );

   5. Тугоплавкие (температура плавления tпл > 1850 °С).

   Первые две группы применяются для низкотемпературной (мягкой) пайки, остальные – высокотемпературной (твердой) пайки. По основному компоненту припои подразделяют на: галлиевые, висмутовые, оловянно-свинцовые, оловянные, кадмиевые, свинцовые, цинковые, алюминиевые, германиевые, магниевые, серебряные, медно-цинковые, медные, кобальтовые, никелевые, марганцевые, золотые, палладиевые, платиновые, титановые, железные, циркониевые, ниобиевые, молибденоыве, ванадиевые.